本發(fā)明涉及半導(dǎo)體紫外發(fā)光器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于寬禁帶半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)及其制備方法。

背景技術(shù)：
據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類(lèi)約1/3的電能消耗用于發(fā)光，因此，發(fā)掘更高效能、更低成本、環(huán)境友好型發(fā)光器件是光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本目標(biāo)之一。在節(jié)能減排、綠色環(huán)保的時(shí)代主題下，傳統(tǒng)紫外汞燈和汞熒光燈帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題已備受關(guān)注。紫外光源在環(huán)境凈化、有機(jī)聚合、熒光激發(fā)源、半導(dǎo)體工藝等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。以ZnO、GaN、AlN等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料是制備新型高效率半導(dǎo)體紫外發(fā)光器件的基礎(chǔ)。對(duì)于半導(dǎo)體發(fā)光，除了外部間接光激發(fā)、固態(tài)器件的電流直接注入外，真空中能量電子激發(fā)發(fā)光也是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換的重要途徑，特別是功率型光源器件的有效實(shí)現(xiàn)方式。寬禁帶本征半導(dǎo)體的高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、耐電子束輻照特性確保了其在電子激勵(lì)發(fā)光過(guò)程中的穩(wěn)定性。影響寬禁帶復(fù)合紫外發(fā)光的關(guān)鍵在于制備高質(zhì)量、低缺陷密度的單晶材料。分子束外延、脈沖激光沉積、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)物理薄膜沉積的方法雖然可以制備高質(zhì)量的外延薄膜，但其設(shè)備昂貴，且生長(zhǎng)溫度和襯底要求較高，材料合成的低效率導(dǎo)致器件制備的高成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中的紫外發(fā)光結(jié)構(gòu)成本高、環(huán)境污染大且發(fā)光效率低的問(wèn)題，提供一種場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將以納米冷陰極材料為基礎(chǔ)的陰極發(fā)射體和以寬禁帶半導(dǎo)體納米材料為基礎(chǔ)的受激發(fā)光體相配合，在電子束激勵(lì)下顯示了很好的帶邊紫外熒光發(fā)射，并且該結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，發(fā)光效率高，環(huán)境污染小，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：提供一種場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)，包括陰極發(fā)射體和與陰極發(fā)射體之間以真空間隔的受激發(fā)光體，陰極發(fā)射體與受激發(fā)光體的間距為100～1000μm；所述陰極發(fā)射體包括金屬或半導(dǎo)體襯底和至少部分覆蓋于金屬或半導(dǎo)體襯底上的場(chǎng)發(fā)射陣列；所述受激發(fā)光體包括從外到內(nèi)依次設(shè)置的透明襯底、導(dǎo)電層、寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層和金屬反射層。所述場(chǎng)發(fā)射陣列單元高度為0.5～10μm，形狀為柱形、圓錐形或棱錐形；場(chǎng)發(fā)射陣列周期為1～20μm；場(chǎng)發(fā)射陣列采用納米冷陰極材料制成，所述納米冷陰極材料為硅尖錐、碳納米纖維、石墨烯或六硼化鑭尖錐。所述透明襯底的材質(zhì)為絕緣材料。所述導(dǎo)電層的厚度為100～1000μm，導(dǎo)電層的材質(zhì)為摻鋁氧化鋅、氧化銦錫、石墨烯、金屬納米網(wǎng)格或納米線(xiàn)薄膜材料。所述寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層的材質(zhì)為氮化鋁、氮化鎵、氧化鋅、氧化鋅鎂或鍺酸鋅納米材料。所述金屬反射層的厚度為20～50nm，材質(zhì)為反射系數(shù)高的鋁或銀。所述陰極發(fā)射體和受激發(fā)光體均為平面結(jié)構(gòu)，兩者平行設(shè)置。所述受激發(fā)光體為鐘罩結(jié)構(gòu)，陰極發(fā)射體為柱狀結(jié)構(gòu)，陰極發(fā)射體位于受激發(fā)光體幾何中心。上述場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：1)陰極發(fā)射體的制備，包括：a、利用光刻法和熱蒸發(fā)法在金屬或半導(dǎo)體襯底表面鍍催化劑，制備出厚度為2-10nm的催化劑薄膜陣列；其中，催化劑為Fe或Ni或Co，或者含有Fe、Ni和Co中的至少兩種的復(fù)合薄膜；b、再利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法在步驟a制得的催化劑薄膜陣列上生長(zhǎng)形成碳納米管陣列，最終形成陰極發(fā)射體。2)受激發(fā)光體的制備，包括：i、利用射頻磁控濺射法在透明襯底表面沉積一層導(dǎo)電層；ii、再在導(dǎo)電層上制備一層寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層；iii、最后利用直流磁控濺射法在寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層上制備一層金屬反射層，形成受激發(fā)光體。步驟ii中，利用射頻磁控濺射法、水熱生長(zhǎng)法或化學(xué)氣相沉積法在導(dǎo)電層上制備寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層。綜上所述，本發(fā)明的紫外光源結(jié)構(gòu)將以納米冷陰極材料為基礎(chǔ)的陰極發(fā)射體和以寬禁帶半導(dǎo)體納米材料為基礎(chǔ)的受激發(fā)光體相配合，在電子束激勵(lì)下顯示了很好的帶邊紫外熒光發(fā)射，并且該結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，發(fā)光效率高，環(huán)境污染小，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的陰極發(fā)射體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的受激發(fā)光體的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明-實(shí)施例1的紫外光源結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明-實(shí)施例2的紫外光源結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明-實(shí)施例3的陰極發(fā)射體的I-V特性曲線(xiàn)圖。圖6為本發(fā)明-實(shí)施例3的陰極發(fā)射體的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。圖7為本發(fā)明-實(shí)施例4制得的紫外光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光光譜圖。圖8A為本發(fā)明-實(shí)施例4制得的ZnO納米晶層的SEM圖。圖8B為本發(fā)明-實(shí)施例4制得的紫外光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光實(shí)物圖。圖9為本發(fā)明-實(shí)施例5制得的紫外光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光光譜圖。圖10為本發(fā)明-實(shí)施例5制得的GaN納米晶的SEM圖。圖11為本發(fā)明-實(shí)施例6制得的紫外光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光光譜圖。圖12為本發(fā)明-實(shí)施例6制得的Zn2GeO4納米晶的SEM圖。其中，1、場(chǎng)發(fā)射陣列；2、半導(dǎo)體襯底；3、透明襯底；4、導(dǎo)電層；5、寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層；6、金屬反射層。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)地描述：如圖1所示，陰極發(fā)射體由半導(dǎo)體襯底2和場(chǎng)發(fā)射陣列1構(gòu)成，半導(dǎo)體襯底2通常采用高純硅片，也可采用其它穩(wěn)定性好的半導(dǎo)體材料；場(chǎng)發(fā)射陣列1采用發(fā)射性能佳的納米冷陰極材料如碳納米管、硅尖錐、碳納米纖維、石墨烯或六硼化鑭尖錐等制成；場(chǎng)發(fā)射陣列1單元高度為0.5～10μm，單元形狀為柱形，也可為圓錐、棱錐等其它立體形狀；場(chǎng)發(fā)射陣列周期為1～20μm，覆蓋于整個(gè)襯底表面，也可設(shè)置成允許范圍內(nèi)的其它任何覆蓋模式(如部分覆蓋或以某種圖案覆蓋等)。如圖2所示，受激發(fā)光體由透明襯底3、導(dǎo)電層4、寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層5和金屬反射層6構(gòu)成；透明襯底3為透過(guò)率高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好的絕緣材料(如高純石英玻璃、Al2O3藍(lán)寶石晶圓)，透過(guò)率高是為了提高光出射效率，強(qiáng)度高是為了耐粒子束轟擊，導(dǎo)熱性能好是為了避免轟擊點(diǎn)的局部高溫導(dǎo)致發(fā)射光譜發(fā)生偏移；導(dǎo)電層4材料為摻鋁氧化鋅(AZO)、氧化銦錫(ITO)、石墨烯、金屬納米網(wǎng)格、納米線(xiàn)薄膜或其它任何透過(guò)率高、導(dǎo)電性好的材料，導(dǎo)電層厚度為100～1000nm；寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層5可為氮化鋁(AlN)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(ZnO)、氧化鋅鎂(MgZnO)、鍺酸鋅(Zn2GeO4)等納米線(xiàn)、納米管、納米帶等納米材料晶體，其橫向長(zhǎng)度為1～10μm，縱向尺度為50～500nm；寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層5上設(shè)有金屬反射層6，其在保證電子能夠穿越的前提下反射該面的出射光以提高光出射效率；金屬反射層6材料為反射系數(shù)較高的金屬(如Al、Ag等)，金屬反射層的厚度為20～50nm。將上述陰極發(fā)射體與受激發(fā)光體相結(jié)合組成紫外光源結(jié)構(gòu)，具體實(shí)施方式如下：實(shí)施例1如圖3所示，陰極發(fā)射體和受激發(fā)光體均為平面結(jié)構(gòu)，兩者平行放置，它們之間間隔為高真空環(huán)境，間距為100～1000μm；工作狀態(tài)下，陰極發(fā)射體與受激發(fā)光體之間加有1500V或以上高壓(受激發(fā)光體為高電勢(shì))。實(shí)施例2如圖4所示，受激發(fā)光體為鐘罩結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次為透明襯底3、導(dǎo)電層4、寬禁帶半導(dǎo)體納米晶層5和金屬反射層6；陰極發(fā)射體為柱狀結(jié)構(gòu)，位于受激發(fā)光體幾何中心；場(chǎng)發(fā)射陣列1均勻覆蓋在陰極發(fā)射體柱體表面；鐘罩內(nèi)為高真空環(huán)境，陰極發(fā)射體與受激發(fā)光體之間的間距為100～1000μm；工作狀態(tài)下陰極發(fā)射體與受激發(fā)光體之間加有1500V或以上高壓(受激發(fā)光體為高電勢(shì))。上述紫外光源結(jié)構(gòu)的制備方法，具體如下：實(shí)施例3陰極發(fā)射體的制備，包括：1)使用勻膠機(jī)在半導(dǎo)體襯底2表面旋涂一層光刻膠并烘干，烘干后的光刻膠厚度約為1～2μm；其中，勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為3600rpm，使用時(shí)，預(yù)旋10s，旋涂30秒；2)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的場(chǎng)發(fā)射陣列的周期選擇對(duì)應(yīng)的掩膜，利用光刻法對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光和顯影，形成光刻膠陣列結(jié)構(gòu)。其中，選用紫外光刻機(jī)進(jìn)行光刻，其光源為350W直流高壓汞燈，曝光波長(zhǎng)為365nm，曝光時(shí)間為10s；選用的顯影液為0.5％NaOH溶液；3)利用熱蒸發(fā)法在步驟2)制得的光刻膠表面鍍鐵催化劑層；蒸鍍完成后，鐵催化劑層均勻附著在光刻形成的坑道內(nèi)和光刻膠表面。4)清洗除去光刻膠及附著在光刻膠表面的鐵催化劑，形成厚度為2～10nm的鐵催化劑薄膜陣列；具體過(guò)程為：將樣品置入丙酮中超聲10～20min，除去光刻膠及附著在光刻膠表面的鐵催化劑層，留下附著在光刻形成的坑道內(nèi)的催化劑層形成鐵催化劑薄膜陣列；5)利用微波等離子體化學(xué)氣相沉積法(MWPCVD)，以甲烷(CH4)為碳源氣體，氫氣(H2)為稀釋氣體，在催化劑的作用下使鐵催化劑薄膜陣列生長(zhǎng)形成碳納米管陣列；具體步驟為：將圖5中所示的帶有鐵催化劑薄膜陣列的基片洗凈吹干后置入反應(yīng)室，抽真空，然后通入H2(速率為180sccm)，并施加微波使其在反應(yīng)室中產(chǎn)生等離子體；對(duì)半導(dǎo)體襯底2加熱到660℃并維持10min，然后通入CH4(速率為20sccm)，這時(shí)碳納米管開(kāi)始生長(zhǎng)，整個(gè)過(guò)程保持反應(yīng)室真空度不變，5～10min后關(guān)閉微波源，停止加熱并停止通入CH4，待冷卻至室溫時(shí)關(guān)閉H2，然后通入氬氣沖開(kāi)反應(yīng)室即可取出樣品碳納米管陣列。6)反應(yīng)完成后即可制成陰極發(fā)射體，其I-V特性曲線(xiàn)如圖5所示，掃描電子顯微鏡(SEM)圖像如圖6所示。實(shí)施例4以ZnO為寬禁帶半導(dǎo)體材料制備受激發(fā)光體的過(guò)程如下：1)利用射頻磁控濺射法在透明襯底3表面沉積一層導(dǎo)電層4；濺射工藝條件為：靶材選用摻3％Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的AZO靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材之間的距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa，氬氣通入速率為20sccm；射頻功率為100W；沉積時(shí)間為15min；鍍膜完成后，形成厚度約為200nm的AZO導(dǎo)電層。2)在導(dǎo)電層4上利用射頻磁控濺射法沉一層ZnO籽晶層；濺射工藝條件為：靶材選用純度為99.99％的ZnO靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材之間的距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa，氬氣通入速率為20sccm；射頻功率為100W；沉積時(shí)間為25s，此時(shí)尚未形成連續(xù)膜；或者利用恒溫水熱生長(zhǎng)法制備一層ZnO納米晶層，具體過(guò)程為：配置濃度為0.05mol/L的等摩爾比無(wú)水乙酸鋅和六亞甲基四胺(HMT)的混合水溶液，其中，無(wú)水乙酸鋅作為鋅源，HMT作為穩(wěn)定劑；將基片放入其中(注意有籽晶層的一側(cè)斜向下放置)，整個(gè)體系置入90℃的恒溫水浴箱中，生長(zhǎng)時(shí)間為1h～2h，生長(zhǎng)完成后即可形成長(zhǎng)度為2μm的ZnO納米棒。3)利用直流磁控濺射法在ZnO納米晶層上制備一層金屬反射層6；濺射工藝為：靶材選用純度為99.99％的Al靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材之間的距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa；工作電流為0.3A保持不變，電壓初始值350V并隨著濺射的進(jìn)行逐漸增大；沉積速率約為2nm/min，濺射時(shí)間為10min，最終形成受激發(fā)光體。將實(shí)施例3制得的陰極發(fā)射體和上述受激發(fā)光體組合成基于ZnO納米晶的場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)，加上電壓后測(cè)得發(fā)光光譜如圖7所示：其峰值波長(zhǎng)為384nm并且沒(méi)有雜散峰，半峰全寬(FWHM)僅為19nm，能量高度集中在期望的波長(zhǎng)段ZnO納米晶的SEM圖像如圖8A所示；該紫外發(fā)光結(jié)構(gòu)在測(cè)試過(guò)程中的光源發(fā)光的實(shí)物圖如圖8B所示。實(shí)施例5以GaN為寬禁帶半導(dǎo)體材料制備受激發(fā)光體的過(guò)程如下：1)利用射頻磁控濺射法在透明襯底3表面沉積一層導(dǎo)電層4；濺射工藝條件為：靶材選用摻3％Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的AZO靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa，氬氣通入速率為20sccm；射頻功率為100W；沉積時(shí)間為15min；鍍膜完成后，形成厚度約為200nm的AZO導(dǎo)電層。2)利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在導(dǎo)電層4上制備一層GaN納米晶層；用電子束蒸發(fā)法在透明襯底和導(dǎo)電層上沉積一層5nm厚的金(Au)催化劑層；用等摩爾比的Ga2O3和石墨混合粉末作為材料源，放置在鍍有反射層的透明襯底上方，整個(gè)體系置于管式爐中；設(shè)置NH3通入速率為100sccm并保持不變，以25℃/min的加熱速率對(duì)反應(yīng)室進(jìn)行加熱到1050℃并維持4h，待反應(yīng)室自然冷卻到室溫后，即可取出樣品；3)利用直流磁控濺射法在GaN納米晶層上制備一層金屬反射層6；濺射工藝為：靶材選用純度為99.99％的Al靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材之間的距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa；工作電流為0.3A保持不變，電壓初始值350V并隨著濺射的進(jìn)行逐漸增大；沉積速率約為2nm/min，濺射時(shí)間為10min，制得受激發(fā)光體。將實(shí)施例3制得的陰極發(fā)射體和上述受激發(fā)光體組合成基于GaN納米晶的場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)，加上電壓后測(cè)得該光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光光譜如圖所9示。另外，GaN納米晶的SEM圖像如圖10所示。實(shí)施例6以Zn2GeO4為寬禁帶半導(dǎo)體材料制備受激發(fā)光體的過(guò)程如下：1)利用射頻磁控濺射法在透明襯底3表面沉積一層導(dǎo)電層4；濺射工藝條件為：靶材選用摻3％Al2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的AZO靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa，氬氣通入速率為20sccm；射頻功率為100W；沉積時(shí)間為15min；鍍膜完成后，形成厚度約為200nm的AZO導(dǎo)電層。2)利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在導(dǎo)電層4上制備一層Zn2GeO4納米晶層；用電子束蒸發(fā)法在透明襯底和導(dǎo)電層上沉積一層9nm厚的金(Au)催化劑層；用摩爾比為2∶1∶2的ZnO、Ge和碳粉作為材料源，放置在鍍有反射層的透明襯底旁邊，整個(gè)體系置于石英試管中(其中混合粉末位于試管底，襯底位于試管口)，將試管放入管式爐中加熱；其中，設(shè)置氬氣流量為200sccm并在整個(gè)制備過(guò)程中保持不變，以15℃/min的加熱速率對(duì)作為材料源的混合粉末區(qū)域進(jìn)行加熱到1000℃并維持1h(注意襯底應(yīng)置于材料源旁邊溫度為400～500℃的區(qū)域以獲得較佳結(jié)晶質(zhì)量)，待反應(yīng)室自然冷卻到室溫后，即可取出樣品。3)利用直流磁控濺射法在Zn2GeO4納米晶層上制備一層金屬反射層6；濺射工藝為：靶材選用純度為99.99％的Al靶，靶直徑為90mm，靶厚為5mm；基片與靶材之間的距離為150mm；本底真空度小于5.0×10-4Pa，工作氬氣壓為0.3～0.5Pa；工作電流為0.3A保持不變，電壓初始值350V并隨著濺射的進(jìn)行逐漸增大；沉積速率約為2nm/min，濺射時(shí)間為10min，最終形成受激發(fā)光體。將實(shí)施例3制備的陰極發(fā)射體和上述受激發(fā)光體組合成基于Zn2GeO4納米晶的場(chǎng)電子激勵(lì)下的紫外光源結(jié)構(gòu)，加上電壓后測(cè)得該光源結(jié)構(gòu)的發(fā)光光譜如圖11所示。另外，Zn2GeO4納米晶的SEM圖像如圖12所示。雖然結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)地描述，但并非是對(duì)本專(zhuān)利保護(hù)范圍的限定。在權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或調(diào)整仍受本專(zhuān)利的保護(hù)。